打破摩爾定律極限，在芯片上“蓋樓房”，NBD對話科研團(tuán)隊(duì)

每經(jīng)記者 李孟林    每經(jīng)編輯 高涵    

ChatGPT的大火帶動了生成式人工智能（AI）產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，巨大的算力需求催生著先進(jìn)芯片的研發(fā)。在芯片先進(jìn)制程已經(jīng)逐漸逼近極限的情況下，如何進(jìn)一步提高芯片上的晶體管密度成為半導(dǎo)體科研的核心議題。

近日，來自麻省理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)突破了在硅基晶圓上“生長”二維材料晶體管的技術(shù)，為未來多層堆疊晶體管鋪平了道路。

領(lǐng)銜該研究的麻省理工大學(xué)博士生朱嘉迪對《每日經(jīng)濟(jì)新聞》（NBD）記者表示，本次研究成果非常適合新型二維材料電路和傳統(tǒng)硅基電路的有效快速融合，而柔性的二維材料非常適合整合到多種材料表面，未來生活中的衣服上都可能有芯片加持。

“我們的工作就像修建多層建筑，常規(guī)的（芯片設(shè)計(jì)）情形就好比只有一層樓，上面站不了多少人，但如果有多層樓，就可以容納更多人，讓神奇的新事情發(fā)生，”朱嘉迪生動比喻道。

芯片上“長出”原子級薄晶體管

芯片研發(fā)的歷史大體遵循了著名的摩爾定律，即每18個(gè)月到兩年時(shí)間，芯片的性能就會翻一倍，這意味著芯片上的晶體管密度越來越高。芯片性能常用“制程”來衡量，28納米為成熟制程與先進(jìn)制程的分界線。當(dāng)前，先進(jìn)制程的量產(chǎn)芯片已經(jīng)來到了3納米的范圍，未來還將繼續(xù)朝向1納米進(jìn)軍。

然而，1納米制程通常被認(rèn)為是摩爾定律增長的極限，因此芯片研究界正在探索以超薄的二維材料制造晶體管，通過層層疊加的方式實(shí)現(xiàn)晶體管密度的進(jìn)一步突破。

4月27日，朱嘉迪所在的團(tuán)隊(duì)在《自然-納米技術(shù)》雜志上發(fā)表論文，以一種新型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在硅基電路上“生長”二維材料晶體管，解決了這一技術(shù)路徑的高溫挑戰(zhàn)，并大幅提高了生成速度。這一論文引發(fā)了廣泛關(guān)注，甚至有人認(rèn)為該技術(shù)可以為逼近極限的摩爾定律“續(xù)命”。

手持8英寸晶圓的朱嘉迪 圖片來源：朱嘉迪科研團(tuán)隊(duì)

“摩爾定律既要求晶體管尺寸的縮小，也要求集成電路有效面積的增加。我們近期的工作主要針對第二個(gè)要求——在不增加芯片面積、不要求晶體管尺寸縮小的同時(shí)，直接在硅基電路上低溫生長二維材料并加工電路，這有效地增加了電路集成密度，”朱嘉迪向《每日經(jīng)濟(jì)新聞》解釋道。

此前也有科學(xué)家嘗試過用“有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法”將二維材料直接生長到硅CMOS晶圓上，但由于這一過程需要600℃的溫度，但硅晶體管和電路在400℃就會損壞，因此高溫問題一直是攔路虎。如果在別處合成二維材料再移植至晶圓上，又會遇到性能損耗的問題，并且這一過程難以規(guī)?；?。

朱嘉迪團(tuán)隊(duì)采用的二維材料名為二硫化鉬，厚度僅為三個(gè)原子，即兩個(gè)硫化物原子夾住一層鉬原子構(gòu)成。這是一種柔性、透明的材料，擁有出色的電學(xué)和光學(xué)性能，非常適合制作半導(dǎo)體晶體管。

該團(tuán)隊(duì)的主要?jiǎng)?chuàng)新之處是設(shè)計(jì)了一種新的爐子，分為前端的低溫區(qū)和后端的高溫區(qū)。晶圓被放在低溫區(qū)，而相關(guān)有機(jī)金屬的氣化物質(zhì)被送入高溫區(qū)，受熱分解后回流至低溫區(qū)，并在晶圓表面合成二硫化鉬（即所謂的生長過程）。這種設(shè)計(jì)避免了對晶圓的損害，也免去了移植二硫化鉬的過程。

此外，晶圓在低溫區(qū)以垂直方式放置，這一方法提高了二硫化鉬合成的均質(zhì)性，并提高了合成的速度。據(jù)論文，此前的合成方法通常需要一天多的時(shí)間來生長二硫化鉬，而朱嘉迪團(tuán)隊(duì)則只需要不到一個(gè)小時(shí)。

未來衣服上有芯片加持？技術(shù)產(chǎn)業(yè)化仍需時(shí)日

“我們此次的工作主要解決了三個(gè)問題：8英寸晶圓級二維材料的均質(zhì)生長；與硅基工藝兼容的二維材料低溫生長工藝；將二維材料電路和硅基電路進(jìn)行后道集成/三維集成的方法。這三點(diǎn)都是將二維材料引入芯片加工的關(guān)鍵步驟，”朱嘉迪對《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示。

據(jù)悉，8英寸晶圓是當(dāng)今芯片生產(chǎn)的主流尺寸，因此二維材料生成達(dá)到這一級別對于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用非常重要。另一方面，作為替代的碳基芯片技術(shù)仍在科研探索階段，硅基芯片仍是主流技術(shù)路線。朱嘉迪表示，其團(tuán)隊(duì)的8英寸生長工藝和后道集成工藝，非常有利于在工業(yè)界實(shí)現(xiàn)新型二維材料電路和傳統(tǒng)硅基電路的有效快速融合。

南加州大學(xué)材料科學(xué)系助理教授Han Wang認(rèn)為，朱嘉迪團(tuán)隊(duì)的工作是單層二硫化鉬材料合成工藝上的重要進(jìn)步，為未來的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。朱嘉迪團(tuán)隊(duì)也表示，下一步的工作是對工藝進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)多層二維材料的堆疊。

不過，實(shí)驗(yàn)室成果和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還不是一回事。朱嘉迪對每經(jīng)記者表示，要想實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，還需要進(jìn)一步提高材料質(zhì)量，提升生長過程的穩(wěn)定性和對生長過程中的潛在污染進(jìn)行控制等等。

除了傳統(tǒng)芯片的應(yīng)用外，由于加工過程溫度較低、二維材料的柔性和透明等特性，在朱嘉迪團(tuán)隊(duì)的設(shè)想中，這項(xiàng)技術(shù)未來還可以在廣泛用于聚合物、紡織品等材料的表面，也許未來人們穿著的衣服上面也會有芯片加持。

圖片來源：視覺中國

“在未來的社會，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，個(gè)人數(shù)據(jù)終端也會被公共電子設(shè)備的普及所代替。柔性電子作為我們這個(gè)技術(shù)的潛在發(fā)展方向，可以使透明電子電路附著在大部分物體的表面，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。這些電路可以為人們提供隨時(shí)隨地的顯示、通訊、計(jì)算服務(wù)，讓人們的生活更加智能便捷?；谌嵝噪娮拥目焖俳】禉z測設(shè)備，通訊設(shè)備也都是我們這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的潛在方向，”朱嘉迪對每經(jīng)記者說道。

實(shí)際上，從本科階段開始，朱嘉迪就堅(jiān)信微電子領(lǐng)域?qū)⒃谖磥?0到20年發(fā)生顛覆性的突破，從而帶來人們生活水平的極大改善，這也是他熱情投入芯片研究的原因之一。

然而，在他和團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)布后，成為了不少自媒體炒作的對象。集微咨詢資深分析師錢禹認(rèn)為，應(yīng)該客觀看待朱嘉迪團(tuán)隊(duì)的成果。

“這種二維材料做晶體管并不是零的突破，早就有人做了。（朱嘉迪團(tuán)隊(duì)成果）更多是工程和材料手段上的進(jìn)步，并非學(xué)科上的突破?？梢援?dāng)個(gè)論文來看，但推動產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的效果還是未知數(shù)，”錢禹對《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示。

據(jù)悉，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)2022年在《自然》發(fā)布論文，首次實(shí)現(xiàn)了具有亞1納米柵極長度的晶體管，其中就使用到了單層二維二硫化鉬薄膜。

封面圖片來源：視覺中國